表面織構(gòu)對轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)穩(wěn)定性影響的實(shí)驗(yàn)研究

王琳,裴世源,徐華

(西安交通大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計(jì)及轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 710049, 西安)

表面織構(gòu)對轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)穩(wěn)定性影響的實(shí)驗(yàn)研究

王琳,裴世源,徐華

(西安交通大學(xué)現(xiàn)代設(shè)計(jì)及轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 710049, 西安)

為了研究表面織構(gòu)對高速精密機(jī)床支撐滑動軸承系統(tǒng)振動的影響,利用一種在軸頸表面大規(guī)模加工表面織構(gòu)的低成本、高效率的方法,設(shè)計(jì)并制備了帶有表面織構(gòu)的轉(zhuǎn)子。采用無織構(gòu)和有織構(gòu)兩種轉(zhuǎn)子,在供水壓力分別為0.16 MPa、 0.30 MPa及工作轉(zhuǎn)速分別為2 400 r/min、 4 200 r/min和6 000 r/min的工況下,采用在主軸上附加不平衡質(zhì)量的方法施加同頻激振力,分別對無織構(gòu)轉(zhuǎn)子和有織構(gòu)轉(zhuǎn)子的振動進(jìn)行測試分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:在一定供水壓力和轉(zhuǎn)速條件下,表面織構(gòu)抑制轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)振動的作用變得非常明顯,有織構(gòu)轉(zhuǎn)子較無織構(gòu)轉(zhuǎn)子的相對振動量下降幅度超過60%,即使在發(fā)生水膜振蕩的情況下,表面織構(gòu)依然可以顯著減小轉(zhuǎn)子的振動幅值。因此,合理的表面織構(gòu)設(shè)計(jì),可以有效提高徑向滑動軸承支撐的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

表面織構(gòu);轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng);振動;穩(wěn)定性

表面織構(gòu)是通過一定的加工手段在摩擦副表面制備出具有一定尺寸和排列的凹坑、凹痕或凸包等圖案的點(diǎn)陣[1],它可以改變潤滑表面之間的摩擦學(xué)性能。Hamilton等指出,單個(gè)凸起的織構(gòu),其作用相當(dāng)于一個(gè)小的動壓軸承,可以提高承載力[2]。Etsion等在研究活塞/氣缸系統(tǒng)時(shí)發(fā)現(xiàn),具有織構(gòu)的表面相對于光滑表面可以降低約40%的摩擦力,而在流體靜壓密封中具有織構(gòu)的表面則可以降低90%的摩擦力[3-4]。

表面織構(gòu)可以改善摩擦學(xué)性能的優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛重視,許多學(xué)者投入其中并在理論和實(shí)驗(yàn)研究方面取得了一系列成果。Ronen等發(fā)現(xiàn),在內(nèi)燃機(jī)活塞系統(tǒng)中的織構(gòu)可以有效提高兩平行平面之間的動壓效果[5]。Wang等研究了水潤滑條件下,不同織構(gòu)密度的SiC陶瓷表面從動壓潤滑轉(zhuǎn)換到混合潤滑的極限載荷,發(fā)現(xiàn)具有特定形貌織構(gòu)的表面較光滑表面的極限轉(zhuǎn)變載荷可以提高20%[6]。Etsion等通過Disk/Disk實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),相對于光滑表面,具有部分織構(gòu)的表面其摩擦學(xué)性能可以得到極大改善,摩擦系數(shù)至少降低50%[7]。Dong等分別從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面研究了矩形織構(gòu)對超高分子量聚乙烯髖臼的摩擦學(xué)性能和溫度場分布的影響[8]。Borghi等利用Pin-on-Disk實(shí)驗(yàn)臺在干摩擦和低度潤滑條件下對織構(gòu)表面和非織構(gòu)表面進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在低度潤滑條件下,織構(gòu)表面的摩擦系數(shù)可以降低75%,即使在干摩擦條件下,也可以降低10%[9]。也有研究表明,在某些條件下織構(gòu)化表面的減摩效果并不理想,甚至出現(xiàn)增大摩擦系數(shù)的情況[10-11]。

表面織構(gòu)在軸承方面的應(yīng)用也受到了關(guān)注,Pei等針對大規(guī)模多尺度表面織構(gòu)的流體潤滑問題提出了一種有限細(xì)胞算法[12],通過計(jì)算對比,驗(yàn)證了算法的準(zhǔn)確性和高效性,顯示了該算法對于求解大規(guī)模多尺度問題具有良好的快速求解能力。Brizmer等使用有限差分法求解了全域織構(gòu)和部分織構(gòu)表面的Reynolds方程,發(fā)現(xiàn)全域織構(gòu)產(chǎn)生的承載力較小,而部分織構(gòu)由于累計(jì)效應(yīng)則可以產(chǎn)生較大的承載力[13]。Yu等使用有限差分法研究了織構(gòu)面積對徑向滑動軸承性能的影響,發(fā)現(xiàn)織構(gòu)可以顯著提高軸承的各項(xiàng)性能指標(biāo)[14]。張金煜等人在推力滑動軸承表面設(shè)計(jì)了軸對稱分布的扇形直槽織構(gòu)[15],考察了軸承的內(nèi)外徑、轉(zhuǎn)速、潤滑油黏度、軸承間隙以及扇形直槽的參數(shù)對承載力的影響,針對不同約束條件及目標(biāo),對扇形直槽進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。林起崟等采用速度滑移邊界條件施加在具有微織構(gòu)的軸承表面[16],分析了織構(gòu)位置分布、面積大小等參數(shù)對軸承摩擦學(xué)性能的影響規(guī)律。

雖然以上學(xué)者的研究都取得了有意義的成果,但是目前關(guān)于表面織構(gòu)摩擦學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)研究多局限于使用銷(球)盤實(shí)驗(yàn)機(jī)和活塞氣缸實(shí)驗(yàn)機(jī)等[7,9]進(jìn)行實(shí)驗(yàn),線速度較低,潤滑狀態(tài)也多集中在邊界潤滑和混合潤滑。現(xiàn)有理論分析多集中于對織構(gòu)的動壓效應(yīng)研究,而關(guān)于織構(gòu)對徑向滑動軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)定性影響的實(shí)驗(yàn)研究在國內(nèi)外則尚屬空白。另一方面,為了從實(shí)驗(yàn)方面探索表面織構(gòu)對徑向轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,需要將織構(gòu)加工于軸承或軸頸表面,這屬于曲面加工領(lǐng)域,軸承的潤滑面積大,需要加工的織構(gòu)數(shù)目龐大,同時(shí)一套軸承(或轉(zhuǎn)子)只能加工一種形貌的織構(gòu),導(dǎo)致不僅加工難度大,而且成本很高。

本文從織構(gòu)加工的角度,提出了一種可用于徑向軸承實(shí)驗(yàn)研究的低成本、高效率、可替換的軸頸表面織構(gòu)制備方法;在不同轉(zhuǎn)速和供水壓力下,分別使用無織構(gòu)轉(zhuǎn)子和有織構(gòu)轉(zhuǎn)子進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn),通過對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果研究了表面織構(gòu)對徑向轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)臺

1.1 織構(gòu)制備

本文設(shè)計(jì)的織構(gòu)試樣是由一系列分別在水平和豎直方向上均勻排列的圓形微織構(gòu)組成,如圖1所示。表面織構(gòu)的排布通過Protel軟件設(shè)計(jì)并設(shè)置好加工路徑,然后使用電路板雕刻機(jī)在銅箔膠帶表面打孔,形成圓形的織構(gòu),最后貼于軸頸表面。織構(gòu)圓坑深度為55μm,微織構(gòu)直徑d=1 mm,水平方向的間距a和豎直方向的間距b均為3.963 mm,面積率為5%,B和L分別為織構(gòu)試樣的軸向?qū)挾群椭芟蜷L度。制備完成的帶有織構(gòu)的軸頸如圖2所示。

圖1 本文設(shè)計(jì)的織構(gòu)幾何參數(shù)示意圖

圖2 本文制備的軸頸織構(gòu)實(shí)物圖

1.2 實(shí)驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)

圖3為水潤滑徑向轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺的結(jié)構(gòu)示意圖。實(shí)驗(yàn)臺主要由轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。

圖3 實(shí)驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)示意圖

實(shí)驗(yàn)臺轉(zhuǎn)子直徑為50 mm,由2個(gè)相同的水潤滑徑向滑動軸承支撐。徑向滑動軸承的內(nèi)徑為50.213 mm,其結(jié)構(gòu)如圖4所示。軸承安裝在套筒內(nèi)部并通過軸承座固定在減振基座上,軸承以水作為潤滑介質(zhì),高壓水進(jìn)入實(shí)驗(yàn)臺后分為兩路分別進(jìn)入前后軸承。實(shí)驗(yàn)臺使用氣浮軸承支撐的驅(qū)動電機(jī),電機(jī)與實(shí)驗(yàn)主軸之間采用柔性聯(lián)軸器。轉(zhuǎn)子后端通過柔性聯(lián)軸器與氣浮直流驅(qū)動電機(jī)的輸出端相連,通過調(diào)節(jié)變頻器來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。安裝在夾具上的2個(gè)電容式位移傳感器用于測量轉(zhuǎn)子自由端水平和豎直方向上的振動位移。

圖4 徑向滑動軸承結(jié)構(gòu)示意圖

2 實(shí)驗(yàn)步驟與數(shù)據(jù)處理

使用無織構(gòu)和有織構(gòu)轉(zhuǎn)子,分別在2種供水壓力p(0.16和0.30 MPa)及3種工作轉(zhuǎn)速v(2 400、4 200和6 000 r/min)下分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中采用在主軸上附加不平衡質(zhì)量的方法進(jìn)行同頻加載。實(shí)驗(yàn)中選取的不平衡質(zhì)量大小為2.01 g,固定位置的半徑為25mm。當(dāng)轉(zhuǎn)速v分別為2 400、4 200和6 000 r/min時(shí),求得施加于軸端的偏心力分別為3.18、9.73和19.86 N。

先對轉(zhuǎn)子進(jìn)行無織構(gòu)實(shí)驗(yàn):將表面沒有加工圓形微織構(gòu)的銅箔膠帶貼在轉(zhuǎn)子軸頸位置處,連接轉(zhuǎn)子和電機(jī)、固定位移傳感器并打開數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),把不平衡質(zhì)量塊附加于轉(zhuǎn)子自由端,在指定供水壓力和轉(zhuǎn)速下進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)并采集轉(zhuǎn)子的振動位移信號。然后,將無織構(gòu)的銅箔膠帶替換為有織構(gòu)的,按照前面的操作順序,對轉(zhuǎn)子進(jìn)行有織構(gòu)實(shí)驗(yàn)。

因?qū)嶒?yàn)環(huán)境中電力設(shè)備的存在,位移傳感器采集到的轉(zhuǎn)子振動信號不可避免地會受到電磁干擾,因此在對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析之前,必須對振動位移信號進(jìn)行消噪處理。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到的振動位移信號為

(1)

(2)

式中:x、y分別表示水平和豎直方向上的振動信號;A0、B0分別表示水平和豎直方向上的位移初始值,Ai、Bi為振動幅值;n為采樣數(shù);Δt為采樣時(shí)間間隔;ωi為轉(zhuǎn)動頻率;φi為相位角。

為了消除位移信號中的趨勢項(xiàng),采用快速傅里葉變換(FFT)進(jìn)行時(shí)頻轉(zhuǎn)換,由于轉(zhuǎn)子的振動往往與工作頻率相關(guān),取半頻、同頻和倍頻信號對時(shí)域信號進(jìn)行重構(gòu),重構(gòu)后的信號如下

A2sin(ωnΔt+φ2)+A3sin(2ωωnnΔt+φ3)

(3)

B2sin(ωnΔt+φ2)+B3sin(2ωωnnΔt+φ3)

(4)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

當(dāng)供水壓力為0.16 MPa時(shí),在3種轉(zhuǎn)速(2 400、4 200 和6 000 r/min)條件下,無織構(gòu)轉(zhuǎn)子和有織構(gòu)轉(zhuǎn)子的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比如圖5～圖7所示。

圖5 v=2 400 r/min、p=0.16 MPa時(shí)無織構(gòu)和有織構(gòu)轉(zhuǎn)子的軸心軌跡對比圖

從圖5中可以看出,有織構(gòu)轉(zhuǎn)子的軸心軌跡只比無織構(gòu)的略小,說明較低轉(zhuǎn)速下織構(gòu)對轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)振動的影響有限。這是因?yàn)闇y量的振動位移主要由聯(lián)軸器所傳遞的振動和不平衡質(zhì)量塊所引起的強(qiáng)迫振動組成,在低轉(zhuǎn)速下,聯(lián)軸器所傳遞的振動占主導(dǎo)地位,所以織構(gòu)對轉(zhuǎn)子振動影響的效果不明顯。

如圖6所示,在轉(zhuǎn)速為4 200 r/min、供水壓力為0.16 MPa的工況下,無織構(gòu)轉(zhuǎn)子在x、y方向的振動幅值A(chǔ)x、Ay分別約為7 μm左右,而有織構(gòu)轉(zhuǎn)子在x、y方向振動幅值不到2.5μm,相對振動量下降了約64%。這是因?yàn)殡S著轉(zhuǎn)速的升高,聯(lián)軸器傳遞的振動所占比例減小,不平衡質(zhì)量引發(fā)的振動占主導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:表面織構(gòu)對轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)具有穩(wěn)定性提高和抑制振動的作用;雖然全織構(gòu)表面降低了軸承的承載力[16-17],但也相應(yīng)增加了偏心率和等效剛度,因此轉(zhuǎn)子的振動幅值顯著減小。

圖6 v=4 200 r/min、p=0.16 MPa時(shí)無織構(gòu)和有織構(gòu)轉(zhuǎn)子的軸心軌跡對比圖

從圖7中可以看到,在轉(zhuǎn)速為6 000 r/min、供水壓力為0.16 MPa的工況下,無織構(gòu)轉(zhuǎn)子在x、y方向的振動幅值分別約為8 μm左右,而有織構(gòu)轉(zhuǎn)子在x、y方向振動幅值不超過3 μm,相對振動量下降了約63%。此時(shí),無織構(gòu)轉(zhuǎn)子的軸心軌跡已經(jīng)不是一個(gè)橢圓,而變成了大小2個(gè)圈疊連的形狀,這說明無織構(gòu)轉(zhuǎn)子已經(jīng)出現(xiàn)了半頻渦動,而有織構(gòu)轉(zhuǎn)子的軸心軌跡依然為較規(guī)則的橢圓,并沒有明顯的水膜渦動現(xiàn)象出現(xiàn),說明在表面織構(gòu)的作用下,轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高了。

圖7 v=6 000 r/min、p=0.16 MPa時(shí)無織構(gòu)和有織構(gòu)轉(zhuǎn)子的軸心軌跡對比圖

圖8～圖10為供水壓力在0.3 MPa時(shí),轉(zhuǎn)速分別為2 400 、4 200 和6 000 r/min工況下的無織構(gòu)和有織構(gòu)轉(zhuǎn)子的軸心軌跡對比圖。從圖中可以看出,3個(gè)工況下有織構(gòu)轉(zhuǎn)子的振動幅值均明顯比無織構(gòu)轉(zhuǎn)子的小,體現(xiàn)了表面織構(gòu)在抑制振動、提高轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性方面的優(yōu)勢。

圖8 v=2 400 r/min、p=0.3 MPa時(shí)無織構(gòu)和有織構(gòu)轉(zhuǎn)子的軸心軌跡對比圖

圖9 v=4 200 r/min、p=0.3 MPa時(shí)無織構(gòu)和有織構(gòu)轉(zhuǎn)子的軸心軌跡對比圖

圖10 v=6 000 r/min、p=0.3 MPa時(shí)無織構(gòu)和有織構(gòu)轉(zhuǎn)子的軸心軌跡對比圖

對比圖5和圖8可以看出,在低供水壓力和低轉(zhuǎn)速條件下,織構(gòu)對轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)的振幅影響不大。圖7與圖10相比發(fā)現(xiàn),增加供水壓力后,無織構(gòu)轉(zhuǎn)子沒有發(fā)生半頻渦動,這說明供水壓力是影響實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要因素。

在相同轉(zhuǎn)速、未發(fā)生水膜振蕩的條件下,從不同供水壓力下的結(jié)果圖對比中可以發(fā)現(xiàn),高供水壓力下轉(zhuǎn)子的振幅更大。本文實(shí)驗(yàn)所用軸承為4個(gè)方向進(jìn)水但沒有靜壓腔的徑向軸承,由于水的黏度很低,動壓效果相對較小,因此現(xiàn)有工況下靜壓起主導(dǎo)作用。由于實(shí)驗(yàn)用的徑向軸承沒有靜壓腔,水膜壓力分布在進(jìn)水孔附近呈尖峰狀分布,梯度變化很大,軸承的穩(wěn)定性不好,轉(zhuǎn)子容易發(fā)生擾動,因此供水壓力越大,壓力分布的尖峰狀就越明顯,壓力梯度變化也越大,軸承的穩(wěn)定性也隨之降低,導(dǎo)致轉(zhuǎn)子振動幅度增大。

4 結(jié) 論

本文通過將加工有圓形微織構(gòu)的銅箔膠帶貼于軸頸表面的方法,得到了帶有表面織構(gòu)的轉(zhuǎn)子,從實(shí)驗(yàn)方面研究了表面織構(gòu)對轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響,得到的結(jié)論如下。

(1)在低供水壓力、低轉(zhuǎn)速條件下,表面織構(gòu)對轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)的振幅影響不大;隨著轉(zhuǎn)速的增加,織構(gòu)對轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)的振幅影響逐漸增大,表面織構(gòu)可以顯著提高轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)的穩(wěn)定性,可降低轉(zhuǎn)子的振幅超過60%,具有明顯的抑振作用。

(2)供水壓力是影響轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要因素。對于本文實(shí)驗(yàn)中使用的徑向軸承而言,相同的轉(zhuǎn)速條件,高供水壓力下轉(zhuǎn)子的振幅比低供水壓力下轉(zhuǎn)子的振幅更大。

(3)在發(fā)生水膜振蕩的情況下,表面織構(gòu)同樣可以顯著減小轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)的振動幅值。由于水膜振蕩現(xiàn)象具有突發(fā)性,而表面織構(gòu)可以顯著減小水膜振蕩情況下的振動幅值,因此表面織構(gòu)在徑向滑動轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)中具有重要的應(yīng)用前景。

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(編輯 管詠梅)

SurfaceTextureInfluenceonRotor-BearingSystemStability

WANG Lin,PEI Shiyuan,XU Hua

(Key Laboratory of Education Ministry for Modern Design and Rotor-Bearing System,Xi’an Jiaotong University, Xi’an, 710049, China)

Aiming at engineering application of surface texture in high speed and high precision machine tool bearings, an effective and simple process was conducted to make texture on the journal surface.The surface texture influence on rotor-journal bearing system stability was experimentally investigated.The rotor was excited by the unbalance mass, and the vibration displacements of journals with and without texture were measured and compared under supplied pressures of 0.16 MPa and 0.30 MPa, and at rotating speeds of 2 400 r/min, 4 200 r/min and 6 000 r/min.The experiments reveal that the surface texture slightly affects vibration amplitude in the case of lower supplied pressure and rotating speed, but the surface texture is able to reduce vibration significantly at certain rotating speeds.The supply pressure becomes important for the bearing stability, and the vibration amplitude under higher supplied pressure gets greater than that under lower supplied pressure.However, surface texture restrains rotor-bearing system vibration effectively even if oil whirl arises, and the relative vibration amplitude reduces by 60% in the rotor with surface texture.

surface texture; rotor-bearing system; vibration; stability

10.7652/xjtuxb201403016

2013-07-31。

王琳(1987—),男,博士生;裴世源(通信作者),男,博士,講師。

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃資助項(xiàng)目(2009CB724404,2011CB706601)。

TH117.2

:A

:0253-987X(2014)01-0084-05